Poder calorficoDe Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a:
navegacin, bsqueda El poder calorfico es la cantidad de energa que
la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una
reaccin qumica de oxidacin (quedan excluidas las reacciones
nucleares, no qumicas, de fisin o fusin nuclear, ya que para ello
se usa la frmula E=mc). El poder calorfico expresa la energa mxima
que puede liberar la unin qumica entre un combustible y el
comburente y es igual a la energa que mantena unidos los tomos en
las molculas de combustible, menos la energa utilizada en la
formacin de nuevas molculas en las materias (generalmente gases)
formadas en la combustin. La magnitud del poder calorfico puede
variar segn como se mida. Segn la forma de medir se utiliza la
expresin poder calorfico superior (abreviadamente, PCS) y poder
calorfico inferior (abreviadamente, PCI). La mayora de los
combustibles usuales son compuestos de carbono e hidrgeno, que al
arder se combinan con el oxgeno formando dixido de carbono (CO2) y
agua (H2O) respectivamente. Cuando se investig cientficamente el
proceso de la combustin, se consider que para el buen
funcionamiento de las calderas donde se produca, era necesario que
los gases quemados salieran por el conducto de humos a una cierta
temperatura mnima para generar el tiro trmico necesario para un
buen funcionamiento. Esta temperatura est por encima de los 100 C,
por lo que el agua producida no se condensa, y se pierde el calor
latente o calor de cambio de estado, que para el agua es de 2261
kilojulios (540 kilocaloras) por kilogramo de agua, por lo que hubo
necesidad de definir el poder calorfico inferior, para que las
calderas tuvieran, aparentemente, unos rendimientos ms alentadores.
Por ello, se us la denominacin poder calorfico superior para el
calor verdaderamente producido en la reaccin de combustin y poder
calorfico inferior para el calor realmente aprovechable, el
producido sin aprovechar la energa de la condensacin del agua y
otros procesos de pequea importancia. La mayor parte de las
calderas y los motores suelen expulsar el agua formada en forma de
vapor, pero actualmente existen calderas de condensacin que
aprovechan el calor de condensacin, con rendimientos mucho ms altos
que las tradicionales, superiores al 100% del PCI, pero, por
supuesto, siempre inferiores al 100% del PCS. Sin embargo, para
condensar el vapor, no pueden calentar el agua a ms de a unos 70 C,
lo que limita sus usos y adems, solamente pueden usarse con
combustibles totalmente libres de azufre (como la mayora de los
gases combustibles), para evitar condensaciones cidas; por falta de
temperatura suficiente y, por lo tanto, por falta de tiro trmico,
en estas calderas la evacuacin de los gases debe hacerse por medio
de un ventilador.
[editar] Poder calorfico superiorEs la cantidad total de calor
desprendido en la combustin completa de una unidad de volumen de
combustible cuando el vapor de agua originado en la combustin
est
condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor
desprendido en este cambio de fase. El poder calorfico de una
muestra de combustible se mide en una bomba calorimtrica. La
muestra de combustible y un exceso de oxgeno se inflama en la bomba
y tras la combustin, se mide la cantidad de calor. La bomba se
enfra con este fin a temperatura ambiente. Durante dicho
enfriamiento, el vapor de agua se condensa y este calor de
condensacin del agua est incluido en el calor resultante.
[editar] Poder calorfico inferiorEs la cantidad total de calor
desprendido en la combustin completa de una unidad de volumen de
combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente
del vapor de agua generado en la combustin, ya que no se produce
cambio de fase, y se expulsa como vapor. Es el valor que interesa
en los usos industriales, por ejemplo hornos o turbinas, porque los
gases de combustion que salen por la chimenea estn a temperaturas
elevadas, y el agua en fase vapor no condensa. Tambin es llamado
poder calrico neto, ya que al poder calorfico superior se resta el
calor latente de condensacin. Obtenido de
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%C3%ADfico&oldid=50400272 Categoras:
Energa Termoqumica Poder calorfico de Gasolina, Diesel,
Bio...
TABLA PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES
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y Termotecnia. Tablas Tema 3: Combustibles. TABLA 3.1a: PODER
CALORFICO DE MADERAS. Y RESIDUOS AGRCOLAS. COMBUSTIBLE ...
Os dejo una tabla del poder calorifico de algunos combustibles
en Kcal/kg Alguien sabe el poder calorifico del Biodiesel y del
Bioetanol? Que pasara si cuando llenamos el deposito del Diesel
aadimos un poquito de gasolina? aumentar el poder calorifico y con
ello el rendimiento? Gas Natural-------------------12800
Acetileno---------------------11600 Propano, Gasolina y
Butano----11000 Gasoil-------------------------10200 Fuel
oil------------------------9600
Antracita----------------------8300
Coque-------------------------7800 Gas de
Alumbrado--------------7000 Alcohol de 95-----------------6740
Lignito-------------------------4800 www.forocoches.com ...
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2010 Poder calorfico de Gasolina, Diesel, Bio... ForoCoches.
Poder calorfico de combustibles TABLA
Tabla en la que podemos ver el poder calorfico de diferentes
combustibles, el tiempo que estar produciendo energa y sus
usos.Combustible Poder 1 kg de combustible calorfico alumbrar una
bombilla (kJ/kg) de 100 W durante... 1 h 39 min - 2 h 39 min 2 h 39
min - 5 h 58 min 4 h 19 min 6 h 51 min 6 h 54 min 7 h 00 min 7 h 14
min 7 h 18 min Usos
Madera (segn) 10.450composicin) 16.700 Carbn (segn)
16.700composicin) 37.600 Alcohol Gasleo Gasolina 95 Gasolina 98
Butano Petrleo GLP (gas licuado de petrleo) Gas natural (metano)
Hidrgeno 27.170 43.160 43.470 44.100 45.560 46.000
Calefaccin Calefaccin Transporte terrestre Transporte terrestre
y martimo, calefaccin Transporte terrestre Transporte terrestre
Calefaccin Preparacin de combustibles Transporte Calefaccin,
transporte Cohetes
46.000
7 h 18 min
48.100 120.000
7 h 38 min 19 h 04 min
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Tabla en la que podemos ver el poder calorfico de diferentes
combustibles, el tiempo que estar produciendo energa y sus usos.
Todo sobre Fsica y Qumica .. COMBUSTIN Se entiende por combustin,
la combinacin qumica violenta del oxigeno (o comburente), con
determinados cuerpos llamados combustibles, que se produce con
notable desprendimiento de calor. Para que se produzca la
combustin, las 3 condiciones ya nombradas deben cumplirse, es decir
que sea: una combinacin qumica, que sea violenta y que produzca
desprendimiento de calor. Analizaremos una por una: 1) Debe haber
combinacin qumica, los productos finales una vez producida la
combustin debe ser qumicamente distintos a los productos iniciales.
Ej. : Antes de producirse la combustin tenemos combustible y
oxigeno. Producida la combustin ya no tenemos combustible y oxigeno
mezclado, sino gases de combustin. 2) La combinacin qumica debe
producirse violenta e instantneamente. Ej. : Una lamina de hierro
colocada en la intemperie se va a oxidar lentamente, luego de
cierto tiempo, al combinarse con el oxigeno del aire. Pero esto no
es combustin sino oxidacin, porque el desprendimiento de calor se
produce muy lentamente despus de un tiempo. 3) Debe haber un
desprendimiento de calor, se debe liberar cierta cantidad de calor.
Para que se produzca la combustin se necesita oxgeno, el cual se
encuentra en el aire, el que desperdiciando los gases que se
encuentran en pequea proporcin, esta constituido por 23 % de oxgeno
y 77% de nitrgeno. Tambin es necesario que la temperatura en algn
punto de la mezcla de oxgeno y combustible, adquiera un determinado
valor. Una combustin se considera imperfecta, cuando parte del
combustible, que entra en reaccin, se oxida en grado inferior al
mximo, o no se oxida. La combustin es completa cuando el
combustible quema en su totalidad, ya sea perfecta o incompleta.
Todos los combustibles utilizados en los diversos procesos
industriales estn constituidos nicamente por dos sustancias
qumicas, el carbono y el hidrgeno los cuales estn unidos entre s,
formando los diversos combustibles utilizados. La propagacin de
calor debe cesar para un valor finito de la velocidad de
inflamacin. Por lo tanto, la buena combustin esta comprendida
dentro de dos valores, lmites definidos de la velocidad de
inflamacin de la llama, y son los llamados lmites inferior de
inflamacin que se produce cuando falta combustible, y lmite
superior de inflamacin que es cuando falta oxgeno.
La forma de producirse la combustin vara segn el estado del
combustible, lo cual veremos a continuacin: Los combustibles son
elementos que se los utilizan en los procesos industriales para la
produccin de calor. Son formaciones de origen orgnico, animal o
vegetal, que sufrieron los efectos de los movimientos y
plegamientos terrestres. Estn constituidos principalmente por
carbono e hidrgeno, los que segn vimos al combinarse con el oxgeno
queman, desprendiendo calor. El carbono es el elemento que
constituye el mayor porcentaje volumtrico del combustible,
constituyendo el 80 a 90 % volumen del mismo. El carbono no arde
directamente, sino que es llevado al estado de incandescencia por
el hidrgeno. El hidrgeno constituye el 5 o 6 % de los combustibles
slidos y el 8 al 15 % de los lquidos. La presencia del oxgeno en la
molcula de combustible, le resta al mismo poder calorfico, ya que,
se va a combinar con parte del hidrgeno que tiene, para formar
agua. En el combustible tambin se puede encontrar el azufre desde
0.5 % en combustible lquidos hasta 1 o 1.5 % en carbones, y el
nitrgeno ( en carbones) de 0.7 hasta 9.3 %. Poder calorfico La
unidad que se emplea para medir la cantidad de calor desarrollada
en la combustin se la denomina poder calorfico. Se entiende por
poder calorfico de un combustible, la cantidad de calor producida
por la combustin completa de un kilogramo de sea sustancia. Tal
unidad se la mide en cal/kg de combustible. Si la cantidad de
combustible que se quema en un mol, el calor desprendido recibe el
nombre de efecto trmico (poco usado). De la diferencia entre el
poder calorfico superior (NS) y el poder calorfico inferior (NI) se
obtendra uno u otro segn el estado de agregacin que forma parte de
los productos de combustin. Si la temperatura de los productos
finales de combustin es tal que el vapor de agua que se ha formado
continu en ese estado, tendremos el poder calorfico inferior del
combustible (NI). En cambio, si la temperatura de los productos
finales es suficientemente baja como para que aquella se condense,
tendremos el poder calorfico superior del combustible (NS). La
diferencia entre ellos ser igual el calor desprendido por la
condensacin del agua. Clasificacin de los combustibles Combustibles
slidos
Combustibles slidos El proceso de combustin de estos
combustibles difiere bastante con respecto a los combustibles
lquidos y los gaseosos. La buena o mala combustin del slido depende
de la facilidad del acceso del aire ala diversas partculas del
combustible. Estas deben estar distribuidas uniformemente sobre la
superficie de combustin, no se debe encontrar amontonado o
agolpado. El proceso de combustin de un slido esta dividido en
cuatro perodos o fases a saber: a) secado del combustible Al
comenzar a recibir calor, el combustible se seca, evaporando la
humedad que posee, convirtindose en vapor de agua. b) la
destilacin: Comienza cuando se ha evaporado toda la humedad del
combustible. Este se compone de hidrocarburos ms simples,
comenzando a quemar los ms voltiles (requieren menor temperatura de
inflamacin. C)Al aumentar la temperatura debido a la combustin de
los primeros hidrocarburos que queman se alcanzan las condiciones
para que se quemen los hidrocarburos menos voltiles, casi todos los
componentes activos del combustible. D) Quemadas todas las
sustancias voltiles, la llama se apaga. Quedando las cenizas del
slido, considerndose la escoria y los componentes inactivos. Entre
ellos podemos encontrar: Maderas: utilizados como combustibles en
bosques o en estufas hogareas ( poder calorfico hasta 4500 cal /
Kg. secos). Carbones fsiles: cuanto ms antiguos son los restos
orgnicos y mayores presiones soportan, mayor es la cantidad del
carbn. Antracita: son los carbones ms antiguos. Tienen gran
contenido de carbono y pocos materiales voltiles y oxgeno. ( NS =
7800 a 8600 cal /kg ). Hulla: son los carbones ms utilizados en la
industria, se distingue tres tipos: hulla seca, hulla grasa y la
hulla magra. Hulla seca: hornos de arrabio y en la produccin de
coque metalrgico. ( NS = 7500 cal / kg.) Hulla grasa: en la
produccin de gas alumbrado y coque. ( NS = 8300 a 8600 cal / kg.)
Hulla magra: desprende pocas materias voltiles. ( NS = 7900 a 8370
cal / kg.).
Todas las hullas son de color negro o gris oscuro. Lignito: son
combustibles que proceden de la carbonizacin natural de la madera.
Al quemarse desprende el azufre provocando mal olor y daos en
metales y estructuras. Hay dos tipos distintos: Lignitos perfectos:
ms antiguos ( poder calorfico = 6000 cal / Kg. ) Lignitos leosos:
ms jvenes. ( poder calorfico = 5000 a 5700 cal /Kg.) Turba: son
carbones de menor calidad. De 3200 a 4000 cal / Kg. = NS. Residuos
orgnicos: son restos muy grasos comprendidos entre los carbones y
el petrleo. Prcticamente no se utilizan. Carbn vegetal o de lea:
provienen de la carbonizacin de la madera . NS = 6000 a 7000 cal /
Kg., no contiene azufre. Combustibles lquidos Al calentarse un
combustible lquido, existe un perodo de destilacin en el cual el
lquido se descompone en diversos componentes voltiles. Se cebe
distinguir dos casos segn la forma en que se queman. Si son
suficientemente voltiles para que al calentarse emitan vapores en
suficiente cantidad como para continuar ardiendo, se comporta como
un combustible gaseoso En cambio, en los lquidos menos voltiles no
es necesario efectuar una vaporizacin para que se produzca la
combustin. En tal caso se forma una mezcla de aire combustible,
conservndose este ltimo en estado lquido todava, aunque finalmente
pulverizado, constituyendo una mezcla carbnica. Por ejemplo esta
mezcla se produce en un carburador de un motor a explosin. El punto
de inflamacin es aquel para el cual el lquido desprende materias
voltiles inflamables. Cuando la temperatura y la presin alcanza
determinado valor la propagacin del frente de combustin se hace ms
rpida que en condiciones normales. Los combustibles lquidos
presentan, en general, mejores condiciones que los slidos para
entrar en combustin. Los combustibles lquidos son sustancias que se
las obtiene por destilacin, ya sea del petrleo crudo o de la hulla.
Sometindolos a procesos trmicos se puede obtener mayor diversidad
de productos derivados.
El punto de inflamacin es la temperatura a la cual el
combustible, al ser calentado y producirse la inflamacin por un
foco exterior, comienza a presentar por primera vez una llama
corta. El punto de combustin, que se produce por encima del punto
de inflamacin, es la temperatura a la cual el combustible es capaz
de proseguir por si solo la combustin, una vez que este se ha
iniciado en un punto de su masa. El punto de inflamacin espontneo,
se produce a aquella temperatura a la cual el combustible es capaz
de entrar por si solo en combustin, sin necesidad de un foco
exterior que la produzca. Este punto depende de la presin a la que
se halle sometido el lquido. Si la presin es mayor, menor ser la
temperatura de inflamacin. Combustibles lquidos artificiales
Petrleo El petrleo, llamado tambin oro negro, se ha formado en
pocas muy remotas. Su origen responden a restos fsiles, depositados
en las profundidades. Los petrleos estn constituidos por distintos
hidrocarburos, de distintos grados de densidad y volatilidad. La
diversidad en las proporciones en los elementos que los componen,
hacen que difieran fundamentalmente las caractersticas del petrleo
obtenido en lugar con respecto al obtenido en otro sitio. Los
diversos subproductos obtenidos, tanto en la dilatacin primaria
como en la secundaria, son sometidos a procesos de refinacin, con
el objeto de eliminar los componentes indeseables y nocivos que
puede contener los mismos. El petrleo en estado crudo tiene muy
poco uso como combustible, pues desprende vapores sumamente
inflamables. Si la destilacin primaria y secundaria a la que se
somete el petrleo se obtiene una gran diversidad de subproductos,
los principales de los cuales se indican en el cuadro siguiente
conjuntamente con el uso al que se los destina.
Nafta Kerosene Gas-oil Diesel-oil Fuel-oil Alquitrn de hulla
Alquitrn de lignito
Alcohol
Nafta: Es un combustible altamente voltil, muy inflamable y es
utilizado, sobre todo, como combustible para motores a explosin. Su
poder calorfico es 11000 cal / Kg. Kerosene: Constituye un derivado
menos voltil e inflamable que la nafta. Su poder calorfico es de
10500 cal / Kg. Se utiliza en calefaccin y en las turbohlices y
reactores de las turbina de gas de los motores de aviacin. Gas-oil:
es denso, menos voltil que el petrleo. Su poder calorfico es igual
a 10250 cal / Kg. Se lo utiliza mucho en calefaccin y para hornos
industriales y metalrgicos. Diesel-oil: es un subproducto obtenido
de los derivados ms pesados del petrleo. Se quema ms lentamente que
el gas-oil. Se utiliza slo en motores Diesel lentos en los cuales
el combustible dispone ms tiempo para quemar. Su poder calorfico es
de 11000 cal / Kg. Fuel-oil: es un subproducto obtenido de los
derivados ms pesados del petrleo. Se quema con dificultad. Su poder
calorfico es igual a 10000 cal / Kg. Alquitrn de hulla: es un
subproducto obtenido de la fabricacin del coque. Puede quemar
directamente pero se lo utiliza poco como combustible, usndolo slo
en hogares especiales para este, que puedan vencer la viscosidad
del mismo. Su poder calorfico es de 9100 cal /Kg. Alquitrn de
lignito: se lo obtiene de la destilacin del lignito. Su poder
calorfico es 9600 cal / Kg. Es muy similar al gas-oil, pero al
utilizarlo en motores diesel, su comportamiento es muy inferior del
de los derivados del petrleo. Alcoholes: pueden quemar muy
fcilmente. Tienen diversos orgenes (derivaciones de: petrleo, vino,
papas, etc.). los alcoholes puros, como combustibles tienen muy
poco uso. Su mayor empleo esta en la fabricacin de mezclas con
benzol, bencina o naftas con objeto de mejorar la calidad de las
mismas. Combustibles gaseosos El estado gaseoso de los combustibles
es que mayor facilidad brinda para que se produzca una eficiente
combustin, la cual recibe el nombre de explosin. La facilidad de
acceso del aire a las diversas partculas del combustible, hace que
la propagacin se efectu en forma rpida. Si la presin o la
temperatura, alcanza un valor por arriba de un lmite determinado,
la propagacin adquiere valores muy grandes y deja de ser una
explosin para ser una detonacin, en la cual la velocidad de la
reaccin qumica que se produce sea mucho mayor. La velocidad de
propagacin en una onda detonante, para una combustin de hidrgeno y
oxgeno puro alcanza un valor 2000 m/seg..
El punto de inflamacin de una mezcla esta dado por la
temperatura: Para el acetileno 425 C Para el metano 700 C Para el
hidrgeno 585 C Para el xido de carbono 650 C Los combustibles
gaseosos son los que mejores condiciones tienen para entrar en
combustin.
Gas natural Gas de alumbrado Acetileno Gas de agua Gas de aire
Gas pobre o mixto Gas de alto horno
Gas natural: Es el gas que se obtiene directamente de los
yacimientos petrolferos. Este gas es el encargado de empujar al
petrleo a la superficie. Su uso es muy utilizado en los alrededores
de los yacimientos. Su poder calorfico es de 9500 cal / m3. Gas de
alumbrado: Se lo denomina tambin gas de hulla. Se lo obtiene de la
combustin incompleta de la hulla. Por cada 100 Kg. de carbn que se
carbonizan, se obtienen unos 30 35 metros cbicos de gas de
alumbrado. Es un excelente combustible, usado principalmente para
usos domsticos y para pequeos hornos industriales. Su precio es
elevado. Su poder calorfico es de entre 4380 y 5120 cal / m3 .
Acetileno: Se obtiene del tratamiento del carburo de calcio del
agua. Es un excelente combustible. Su poder calorfico es superior a
18000 cal / m3 . Gas de agua: Se obtiene haciendo pasar vapor de
agua a travs de una masa de carbn de coque incandescente. Su poder
calorfico es de 2420 cal / m3 . Gas de aire: Se lo obtiene haciendo
pasar aire por un manto de hulla o lignito incandescente de gran
espesor. Su poder calorfico es de 1080 cal / m3 . Gas pobre o
mixto: se lo obtiene haciendo pasar una corriente de aire hmedo, es
decir, una mezcla de aire y vapor de agua a travs de una masa de
gran espesor de hulla o lignito incandescente. La mezcla de vapor
de agua y aire, quema parcialmente, produciendo cantidades
variables de oxido de carbono e hidrgeno, estas sustancias van
a constituir los elementos activos del gas mixto. Tiene un poder
calorfico de entre 1200 y 1500 cal / m3. Gas de altos hornos: Se
obtiene de los hornos de fundicin. Al cargar un alto horno con
mineral para obtener lingotes de hierro, se desprende una serie de
gases que salen parcialmente quemados y pueden ser posteriormente
utilizados en la misma planta industrial como combustible. Se los
utiliza principalmente para la calefaccin o para la produccin de
fuerza motriz. Su poder calorfico es de 900 cal / m3. Gasgenos Los
gasgenos son hornos que se los utiliza para la transformacin de
combustibles slidos en gaseosos, obtenindose en algunos casos de la
misma combustin parcial que se produce, el calor necesario para
realizar dicho proceso. El manto de carbn que se coloca en los
hornos de los gasgenos es de grueso espesor, ya que al penetrar el
aire por la parte inferior del manto de carbn, quema totalmente
produciendo anhdrido carbnico, el que luego, al atravesar las capas
superiores, que se hallan tambin incandescentes, se reduce a oxido
de carbono. Calormetros Son aparatos que se los utiliza en los
laboratorios para la determinacin de los poderes calorficos de los
combustibles. Calormetro de Junkers Se lo usa para determinar el
poder calorfico de los combustibles lquidos o gaseosos. La
transmisin entre los gases de combustin y el agua, se hace por
medio del principio de contracorriente, existiendo circulacin
permanente mientras dure la experiencia. Consta de dos cilindros
coaxiales a y b, de paredes delgadas. En la parte inferior del
cilindro interior se coloca un mechero con el combustible cuyo
poder calorfico se quiere determinar. Los productos de combustin
siguen el camino indicado, saliendo al exterior por un tubo d cuya
vlvula V1 fija la velocidad de salida de dichos gases, indicando To
la temperatura de los mismos. El agua de condensacin se junta en e
y sale por f al exterior donde se recoge en una probeta graduada de
un litro aproximadamente. ( NS = poder calorfico superior; M =
cantidad de agua en circulacin, que recogemos mientras quemamos los
G gramos de combustible; G = masa del combustible que quemamos; t2
= temperatura de salida del agua y t1 = temperatura de entrada del
agua.) NS * G = M ( t2 - t1) " NS = M / G ( t2 - t1) Calor latente
Se entiende por calor latente de condensacin, la cantidad de calor
desprendida por la condensacin de un kilogramo de vapor, en estado
de condensacin lapso durante el cual la temperatura del cuerpo
permanece constante.
Este calor representa el desprendimiento de una cierta cantidad
de la energa interna que posee el vapor, debido a que al pasar del
estado de vapor al estado lquido, disminuye la energa interna de
sus molculas y aumenta la cohesin molecular. Bibliografa
Maquinas motrices de Ramn Fresno. Ed. Librera Mitre Generacin de
vapor de Marcelo Mesny. Ed. Marymar Manual del ingeniero de Hutte.
Manual de construccin de mquinas de Dubbel. Tomo 1.
Combustin del carbono En el proceso de la combustin completa,
con el oxigeno qumicamente necesario, el carbono se combina con
esta sustancia produciendo anhdrido carbnico. C + O2 ( g ) ! CO2 (
g ) + calor 1M 1M 1M 12Kg 32Kg 44Kg 22.4m3 22.4m3 Esto significa
que un mol1 de carbono se combina con un mol de oxigeno produciendo
1 mol de anhdrido carbnico. Conocidos los pesos molares de estas
sustancias resulta que 12kg de carbono, al reaccionar con 32kg de
oxigeno, producen 44kg de anhdrido carbnico. Como se ve, se cumple
aqu la ley de la conservacin del peso, es decir, la suma de los
pesos de las sustancias antes de reaccionar es igual al peso de los
productos de la reaccin. En esta combustin, la cantidad de oxigeno
presente es, exactamente, la necesaria para que todo el carbono
queme produciendo, nicamente, anhdrido carbnico; se la llama
cantidad mnima o terica de oxigeno. Las combustiones pueden
realizarse, tambin, con exceso de oxigeno, definindose el factor de
exceso de oxigeno de la siguiente manera: 14 .
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Se entiende por poder calorfico de un combustible, la cantidad
de calor producida por la combustin completa de un kilogramo de sea
sustancia. Tal unidad se ...
Fatiga de materialesDe Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar
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En ingeniera y, en especial, en ciencia de materiales, la fatiga
de materiales se refiere a un fenmeno por el cual la rotura de los
materiales bajo cargas dinmicas cclicas (fuerzas repetidas
aplicadas sobre el material) se produce ante cargas inferiores a
las cargas estticas que produciran la rotura. Un ejemplo de ello se
tiene en un alambre: flexionndolo repetidamente se rompe con
facilidad, pero la fuerza que hay que hacer para romperlo en una
sola flexin es muy grande. La fatiga es una forma de rotura que
ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinmicas y fluctuantes
(puentes, automviles, aviones, etc.). Su principal peligro es que
puede ocurrir a una tensin menor que la resistencia a traccin o el
lmite elstico para una carga esttica, y aparecer sin previo aviso,
causando roturas catastrficas. Es un fenmeno muy importante, ya que
es la primera causa de rotura de los materiales metlicos
(aproximadamente el 90%), aunque tambin est presente en polmeros
(plsticos, composites,...), y en cermicas. La rotura por fatiga
tiene aspecto frgil an en metales dctiles, puesto que no hay apenas
deformacin plstica asociada a la rotura. El proceso consiste en un
inicio y posterior propagacin de fisuras, que crecen desde un tamao
incial microscpico hasta un tamao macroscpico capaz de comprometer
la integridad estructural del material. La superficie de fractura
es perpendicular a la direccin del esfuerzo. Aunque es un fenmeno
que, sin definicin formal, era reconocido desde antiguo, este
comportamiento no fue de inters real hasta la Revolucin Industrial,
cuando, a mediados del siglo XIX comenzaron a producirse roturas en
los ejes de las ruedas de los trenes, que pugnaban, por aquel
entonces, por imponerse como medio de locomocin.
Contenido[ocultar]
1 2 3 4
Teoras sobre la fatiga Tensiones cclicas Curva S-N Inicio y
propagacin de la grieta o 4.1 Inicio o 4.2 Propagacin o 4.3 Rotura
5 Velocidad de propagacin 6 Factores que intervienen o 6.1 Diseo o
6.2 Tratamientos superficiales o 6.3 Endurecimiento superficial 7
Influencia del medio o 7.1 Fatiga trmica o 7.2 Fatiga con
corrosin
8 Enlaces externos 9 Vase tambin
[editar] Teoras sobre la fatigaPara explicar el fenmeno se
propusieron teoras que justificaban la prdida de resistencia
mecnica en la alteracin de la estructura interna del acero por
campos magnticos o por el propio giro del eje. Por absurdas que
puedan parecer estas teoras, hay que tener en cuenta que por
entonces los conocimientos relativos a la estructura interna de los
materiales eran muy limitados, aunque se saba que el proceso de
fabricacin condicionaba la textura del material confirindole unas
determinadas propiedades. No es extrao entonces que se razonara que
la rotura inesperada se produjera por la transformacin de la
estructura fibrosa del acero en una estructura cristalina, sin que
los mismos que defendan estas teoras supieran muy bien a qu se
referan. Hacia 1845, Rankine demostr que la reduccin de las
concentraciones de tensiones alargaba la vida del eje.
Posteriormente, hacia 1860, Whler desarroll diversas mquinas de
ensayo para el estudio sistemtico del fenmeno, una de las cuales,
la probeta rotatoria, inspira los actuales ensayos de fatiga de
materiales frricos. Whler extrajo dos conclusiones de aquellos
ensayos: la primera, que las fuerzas necesarias para provocar la
rotura con cargas dinmicas son muy inferiores a las necesarias en
el caso esttico, y la segunda, que existe un umbral por debajo del
cual las probetas no se rompan (lmite de fatiga). Ya en el siglo
XX, Humfrey y Ewing observaron que, bajo cargas dinmicas, aparecan
deformaciones por deslizamiento similares a las obtenidas en el
caso esttico, de modo que el progreso de dichas lneas era el que
conduca a la rotura. Posteriormente, Hanson y Gough introdujeron la
hiptesis del endurecimiento por deformacin (acritud) para explicar
la existencia del lmite de fatiga, de modo que con cargas pequeas
el endurecimiento llegaba a compensar y detener el avance del
deslizamiento. Actualmente, aunque se acepta la teora del
endurecimiento/deslizamiento, no existe una formulacin cuantitativa
que permita realizar un clculo fiable. No obstante, la multitud de
datos disponibles, especialmente para materiales frricos y otros
materiales metlicos, ha permitido desarrollar mtodos de clculo para
el diseo de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de
aparicin reciente, para los que es necesaria la fabricacin y el
ensayo de prototipos.
[editar] Tensiones cclicas
Ejemplo de onda senoidal. En este caso hay que imaginar que la
tensin representada es una tensin con ciclos de traccin (cuando es
positiva) y de compresin (cuando es negativa).
La tensin puede ser axial (tensin y compresin), de flexin o
torsional. En general, son posibles tres modos distintos de tensin
fluctuante en el tiempo:1. Representado esquemticamente por una
onda senoidal del tiempo, en la que la amplitud es simtrica y vara
de un valor mximo a un mnimo igual a la tensin aplicada. Se
denomina ciclo de carga invertida. 2. Denominado ciclo de carga
repetida, los mximos y mnimos son asimtricos con respecto al nivel
cero de carga. 3. Aleatorio: el nivel de tensin puede variar al
azar en amplitud y frecuencia.
La amplitud de la tensin vara alrededor de un valor medio, el
promedio de las tensiones mxima y mnima en cada ciclo:
El intervalo de tensiones es la diferencia entre tensin mxima y
mnima
La amplitud de tensin es la mitad del intervalo de tensiones
El cociente de tensiones R es el cociente entre las amplitudes
mnima y mxima
Por convencin, los esfuerzos a traccin son positivos y los de
compresin son negativos. Para el caso de un ciclo con inversin
completa de carga, el valor de R es igual a -1.
[editar] Curva S-N
Curva S-N representativa.
Estas curvas se obtienen a travs de una serie de ensayos donde
una probeta del material se somete a tensiones cclicas con una
amplitud mxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la
resistencia esttica a traccin). Se cuentan los ciclos hasta rotura.
Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes mximas
decrecientes. Los resultados se representan en un diagrama de
tensin, S, frente al logaritmo del nmero N de ciclos hasta la
rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman
normalmente como amplitudes de la tensin . Se pueden obtener dos
tipos de curvas S-N. A mayor tensin, menor nmero de ciclos hasta
rotura. En algunas aleaciones frreas y en aleaciones de titanio, la
curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir,
existe una tensin lmite, denominada lmite de fatiga, por debajo del
cual la rotura por fatiga no ocurrir.
Curva S-N de un Aluminio frgil, se puede observar cmo la curva
decrece y tiende a decrecer hasta llegar a rotura.
Suele decirse, de manera muy superficial, que muchas de las
aleaciones no frreas (aluminio, cobre, magnesio, etc.) no tienen un
lmite de fatiga, dado que la curva S-N contina decreciendo al
aumentar N. Segn esto, la rotura por fatiga ocurrir
independientemente de la magnitud de la tensin mxima aplicada, y
por tanto, para
estos materiales, la respuesta a fatiga se especificara mediante
la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensin
que produce la rotura despus de un determinado nmero de ciclos. Sin
embargo, esto no es exacto: es ingenuo creer que un material se
romper al cabo de tantos ciclos, no importa can ridculamente pequea
sea la tensin presente. En rigor, todo material cristalino
(metales,...) presenta un lmite de fatiga. Ocurre que para
materiales como la mayora de los frricos, dicho lmite suele
situarse en el entorno del milln de ciclos (para ensayos de probeta
rotatoria), para tensiones internas que rondan 0,7-0,45 veces el
lmite elstico del material; mientras que para aquellos que se dicen
sin lmite de fatiga, como el aluminio, se da incluso para tensiones
muy bajas (en el alumnio, de 0,1-0,2 veces dicho lmite), y aparece
a ciclos muy elevados (en el aluminio puede alcanzar los mil
millones de ciclos; en el titanio pueden ser, segn aleaciones, cien
millones de ciclos o incluso, excepcionalmente el billn de ciclos).
Como en general no se disean mquinas ni elementos de manera que las
mximas tensiones sean de 0,1-0,2 veces el lmite elstico del
material, pues en ese caso se estaran desaprovechando buena parte
de las capacidades mecnicas del material, y como tampoco se suele
disear asumiendo valores de vida por encima del milln de ciclos, en
la prctica este tipo de materiales no van a poder presentar su
lmite de fatiga, aunque s lo tienen. Esta confusin surge de la
propia naturaleza de las curvas S-N de Whler, que fueron concebidas
en el siglo XIX para los aceros. Al ampliarse el tipo de materiales
metlicos usuales en ingeniera, los mismos conceptos y las mismas
curvas se trasladaron a otros metales cuyo comportamiento a fatiga
es esencialmente diferente (de hecho, es una caracterstica propia
de la fatiga la gran variabilidad de comportamientos que presenta
en los distintos tipos de materiales). Y como quiera que el acero
ha sido y es la piedra angular de la ingeniera, interesaba comparar
las propiedades de los dems metales con respecto al mismo: es y era
comn que, al ensayar materiales, los ensayos se suspendieran una
vez superado el milln de ciclos, considerando que no interesaba
caracterizar materiales por encima de ese lmite temporal.
Resistencia a la fatiga para diversos materiales.
Otro parmetro importante que caracteriza el comportamiento a
fatiga de un material es la vida a fatiga Nf. Es el nmero de ciclos
para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones.
Adems, el conocimiento del comportamiento a fatiga no es igual en
todos los materiales: el material mejor conocido, ms ensayado y ms
fiable en cuanto a
predicciones a fatiga es la familia de los aceros. De otros
materiales metlicos de uso comn como el aluminio, el titanio,
aleaciones de cobre, nquel, magnesio o cromo, se dispone de menos
informacin (decreciente sta con la novedad de la aleacin), aunque
la forma de los criterios de clculo a fatiga y de las curvas S-N
parece regular, y es parecida a la de los de los aceros, y se
considera que su fiabilidad es alta. Para materiales cermicos, por
el contrario, se dispone de muy poca informacin, y de hecho, el
estudio de la fatiga en ellos y en polmeros y materiales compuestos
es un tema de candente investigacin actual. En todo caso, existe
una diferencia notable entre la teora y la realidad. Esto conduce a
incertidumbres significativas en el diseo cuando la vida a fatiga o
el lmite de fatiga son considerados. La dispersin en los resultados
es una consecuencia de la sensibilidad de la fatiga a varios
parmetros del ensayo y del material que son imposibles de controlar
de forma precisa. Estos parmetros incluyen la fabricacin de las
probetas y la preparacin de las superficies, variables metalrgicas,
alineamiento de la probeta en el equipo de ensayos, tensin media y
frecuencia de carga del ensayo. Aproximadamente la mitad de las
probetas ensayadas se rompen a niveles de tensin que estn cerca del
25% por debajo de la curva. Esto suele asociarse a la presencia de
fuentes de concentracin de tensiones internas, tales como defectos,
impurezas, entallas, ralladuras,..., que han permanecido
indetectadas. Se han desarrollado tcnicas estadsticas y se han
utilizado para manejar este fallo en trminos de probabilidades. Una
manera adecuada de presentar los resultados tratados de esta manera
es con una serie de curvas de probabilidad constante. Fatiga de
bajo nmero de ciclos (oligofatiga) < 103 105 ciclos. Fatiga de
alto nmero de ciclos > 103 105 ciclos.
[editar] Inicio y propagacin de la grieta
Muestra animada de una rotura por fatiga.
El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir del
inicio de la grieta y se contina con su propagacin y la rotura
final.[editar] Inicio
Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre
nuclean sobre la superficie en un punto donde existen
concentraciones de tensin (originadas por diseo o acabados, ver
Factores).
Las cargas cclicas pueden producir discontinuidades
superficiales microscpicas a partir de escalones producidos por
deslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarn como
concentradores de la tensin y, por tanto, como lugares de nucleacin
de grietas.[editar] Propagacin
Etapa I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy
lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos
cristalogrficos de tensin de cizalladura alta; las grietas
normalmente se extienden en pocos granos en esta fase. Etapa II: la
velocidad de extensin de la grieta aumenta de manera vertiginosa y
en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo
aplicado para comenzar a crecer en direccin perpendicular al
esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso de enromamiento y
agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensin.
[editar] Rotura
Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo
avanza por continua deformacin por cizalladura hasta que alcanza
una configuracin enromada. Se alcanza una dimensin crtica de la
grieta y se produce la rotura. La regin de una superficie de
fractura que se form durante la etapa II de propagacin puede
caracterizarse por dos tipos de marcas, denominadas marcas de playa
y estras. Ambas indican la posicin del extremo de la grieta en
diferentes instantes y tienen el aspecto de crestas concntricas que
se expanden desde los puntos de iniciacin. Las marcas de playa son
macroscpicas y pueden verse a simple vista. Las marcas de playa y
estras no aparecen en roturas rpidas.
[editar] Velocidad de propagacinLos resultados de los estudios
de fatiga han mostrado que la vida de un componente estructural
puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la grieta. La
velocidad de propagacin de la grieta es una funcin del nivel de
tensin y de la amplitud de la misma.
Dnde:
A y m son constantes para un determinado material K Factor de
intensidad de tensiones pendiente de la curva de velocidad de
crecimiento
El valor de m normalmente est comprendido entre 1 y 6.
o bien
Desarrollando estas expresiones a partir de grficas generadas
por ellas mismas, se puede llegar a la siguiente ecuacin:
Dnde:
Nmero de ciclos hasta rotura Y Parmetro independiente de la
longitud de la grieta m y A Siguen siendo parmetros definidos por
el material Es la longitud crtica de la grieta Longitud de grieta
inicial
se puede calcular por:
Dnde:
Es la tenacidad de fractura de deformaciones planas.
Estas frmulas fueron generadas por Paul C. Paris en 1961
realizando una grfica logartmica log-log de la velocidad de
crecimiento de grieta contra el factor de intensidad de tensiones
mostrando una relacin lineal en la grfica. Utilizando esta grfica
se pueden realizar predicciones cuantitativas sobre la vida
residual de una probeta dado un tamao de grieta particular. Se
encuentra as el comienzo de la iniciacin o iniciacin rpida de
grieta.
[editar] Factores que intervienenSon diversos los factores que
intervienen en un proceso de rotura por fatiga aparte de las
tensiones aplicadas. As pues, el diseo, tratamiento superficial y
endurecimiento superficial pueden tener una importancia
relativa.[editar] Diseo
El diseo tiene una influencia grande en la rotura de fatiga.
Cualquier discontinuidad geomtrica acta como concentradora de
tensiones y es por donde puede nuclear la
grieta de fatiga. Cuanto ms aguda es la discontinuidad, ms
severa es la concentracin de tensiones. La probabilidad de rotura
por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades
estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseo,
eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos
vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de
curvatura grandes.[editar] Tratamientos superficiales
En las operaciones de mecanizado, se producen pequeas rayas y
surcos en la superficie de la pieza por accin del corte. Estas
marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeas grietas las cuales
son mucho ms fciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial
mediante pulido aumenta la vida a fatiga. Uno de los mtodos ms
efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos
residuales de compresin dentro de una capa delgada superficial.
Cualquier tensin externa de traccin es parcialmente contrarrestada
y reducida en magnitud por el esfuerzo residual de compresin. El
efecto neto es que la probabilidad de nucleacin de la grieta, y por
tanto de rotura por fatiga se reduce. Este proceso se llama
granallado o perdigonado. Partculas pequeas y duras con dimetros
del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades
sobre la superficie a tratar. Esta deformacin induce tensiones
residuales de compresin.[editar] Endurecimiento superficial
Es una tcnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial
como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esto se lleva a cabo
mediante procesos de carburacin y nitruracin, en los cuales un
componente es expuesto a una atmsfera rica en carbono o en nitrgeno
a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono en
nitrgeno es introducida por difusin atmica a partir de la fase
gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm de profundidad y es ms
dura que el material del ncleo. La mejora en las propiedades de
fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la capa, as como de
las tensiones residuales de compresin que se originan en el proceso
de cementacin y nitruracin.
[editar] Influencia del medioEl medio puede afectar el
comportamiento a fatiga de los materiales. Hay dos tipos de fatiga
por el medio: fatiga trmica y fatiga con corrosin.[editar] Fatiga
trmica
La fatiga trmica se induce normalmente a temperaturas elevadas
debido a tensiones trmicas fluctuantes; no es necesario que estn
presentes tensiones mecnicas de origen externo. La causa de estas
tensiones trmicas es la restriccin a la dilatacin y o contraccin
que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a
variaciones de temperatura. La magnitud de la tensin trmica
resultante debido a un cambio de
temperatura depende del coeficiente de dilatacin trmica y del
mdulo de elasticidad. Se rige por la siguiente expresin:
Dnde:
Tensin trmica Coeficiente de dilatacin trmica Modulo de
elasticidad Incremento de temperatura
[editar] Fatiga con corrosin
La fatiga con corrosin ocurre por accin de una tensin cclica y
ataque qumico simultneo. Lgicamente los medios corrosivos tienen
una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la
atmsfera normal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden
producirse pequeas fisuras o picaduras que se comportarn como
concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagacin
tambin aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo
tambin corroer el interior de la grieta produciendo nuevos
concentradores de tensin.
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